DE10149737A1 - Semiconductor memory with magnetoresistive memory cells having 2 magnetic layers of hard and soft ferromagnetic materials separated by insulation layer - Google Patents
Semiconductor memory with magnetoresistive memory cells having 2 magnetic layers of hard and soft ferromagnetic materials separated by insulation layerInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterspeicher mit sich kreuzenden Wort- und Bitleitungen, an denen magnetoresistive Speicherzellen angeordnet sind, sowie ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Bewerten des Informationsgehalts der Speicherzelle, wobei die magnetoresistive Speicherzelle eine Abfolge von Schichten bestehend aus wenigstens einer ersten magnetischen Schicht mit einer ersten Magnetislerungsachse, einer isolierenden Schicht und einer zweiten magnetischen Schicht mit einer zweiten Magnetisierungsachse umfaßt. The present invention relates to a semiconductor memory with intersecting word and bit lines on which magnetoresistive memory cells are arranged, as well as a method and circuitry for evaluating the Information content of the memory cell, the magnetoresistive Memory cell a sequence of layers consisting of at least a first magnetic layer with a first Magnetislerungsachse, an insulating layer and a second magnetic layer with a second magnetization axis includes.
Nichtflüchtige Speicherzellen mit magnetoresistivem Widerstand - auch MRAM-Speicherzellen - genannt, weisen üblicherweise eine Schichtenfolge auf, die aus einer Kombination von ferromagnetischen Materialien und einer jeweils dazwischen liegenden Isolatorschicht besteht. Die Isolatorschicht wird auch als Tunneldielektrikum bezeichnet. Der Speichereffekt liegt dabei im magnetisch veränderbaren elektrischen Widerstand der Speicherzelle beziehungsweise der Speicherzellen. Non-volatile memory cells with magnetoresistive Resistance - also called MRAM memory cells - have usually a layer sequence consisting of a combination of ferromagnetic materials and one in between lying insulator layer. The insulator layer is also referred to as a tunnel dielectric. The memory effect lies in the magnetically changeable electrical Resistance of the memory cell or the memory cells.
Die ferromagnetischen Materialien besitzen je Schicht eine Magnetisierungsachse, welche parallel zueinander angeordnet sind, so daß sich zwei mögliche Einstellungen der Magnetisierungsrichtung je Schicht ergeben. In Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand der Speicherzelle können die Magnetisierungsrichtungen in den magnetischen Schichten parallel oder antiparallel ausgerichtet sein. Je nach der relativen Ausrichtung zueinander weist die Speicherzelle einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand auf. Dabei führt eine parallele Magnetisierungsrichtung zu einem niedrigeren elektrischen Widerstand in der Speicherzelle, während eine antiparallele Magnetisierungsrichtung zu einem höheren Widerstand führt. The ferromagnetic materials have one per layer Magnetization axis, which are arranged parallel to each other are, so that there are two possible settings of the Direction of magnetization per layer. Depending on Magnetization state of the memory cell can Magnetization directions in the magnetic layers in parallel or be aligned anti-parallel. Depending on the relative The memory cell has an alignment with one another different electrical resistance. One leads parallel magnetization direction to a lower one electrical resistance in the memory cell while a antiparallel direction of magnetization to a higher resistance leads.
In der Regel werden die Schichten derart ausgeführt, daß nur eine der beiden ferromagnetischen Schichten ihren Magnetisierungszustand unter dem Einfluß eines induzierten Magnetfeldes ändert, während die andere Schicht einen zeitlich unveränderlichen Zustand aufweist, sie dient also als Referenz-Magnetisierungsrichtung für die Zelle. As a rule, the layers are designed such that only one of the two ferromagnetic layers Magnetization state under the influence of an induced magnetic field changes while the other layer changes one in time unchangeable condition, so it serves as Reference magnetization direction for the cell.
Die Isolatorschicht kann beispielsweise eine Dicke von etwa 1 bis 3 nm aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit durch dieses Schichtensystem wird wesentlich durch einen Tunneleffekt durch diese Isolatorschicht bestimmt. Variationen in der Tunnel-Isolatordicke führen zu starken Variationen in der Leitfähigkeit, da die Isolatordicke näherungsweise exponentiell in den Tunnelstrom eingeht. The insulator layer can have a thickness of approximately 1, for example have up to 3 nm. The electrical conductivity through this layer system is essentially due to a tunnel effect determined by this insulator layer. Variations in the Tunnel insulator thickness lead to strong variations in the Conductivity because the insulator thickness is approximately exponential enters the tunnel current.
Das Beschreiben einer solche Speicherzelle erfolgt über einen elektrischen Strom. Dazu ist die Speicherzelle derart aufgebaut, daß sie zwei sich kreuzende elektrische Leiter aufweist, im folgenden Wort- bzw. Bitleitung genannt. Am Kreuzungspunkt der Leiter ist jeweils eine wie oben beschriebene Schichtenfolge aus magnetischen Schichten und Tunneldielektrikums-Schichten vorgesehen. Durch die beiden Leiter fließt ein elektrischer Strom, der jeweils ein magnetisches Feld erzeugt. Das magnetische Feld, das durch Überlagerung dieser Felder entsteht, wirkt auf die einzelnen magnetischen Schichten. Wenn die magnetische Feldstärke jeweils ausreichend groß ist, werden die dem Feld ausgesetzten magnetischen Schichten ummagnetisiert. Such a memory cell is written via a electricity. The memory cell is of this type built that they have two intersecting electrical conductors has in the following called word or bit line. At the The point of intersection of the conductors is one as described above Layer sequence of magnetic layers and Tunnel dielectric layers provided. Through the two conductors flows an electric current, each of which is a magnetic field generated. The magnetic field created by superimposing this Fields arises, affects the individual magnetic Layers. If the magnetic field strength is sufficiently large the magnetic layers exposed to the field magnetization reversal.
Als Auslesemethoden für eine Bewertung des Speicherzelleninhaltes kommen mehrere Möglichkeiten in Betracht. Beispielsweise kann eine direkte Bewertung des Zellwiderstandes und gegebenenfalls ein anschließender Vergleich mit einem Referenzwiderstand etwa einer anderen Zelle vorgenommen werden. As readout methods for an evaluation of the Memory cell contents come in several ways. For example, a direct assessment of cell resistance and if necessary, a subsequent comparison with a Reference resistance about another cell can be made.
Hierbei tritt allerdings das Problem auf, daß die genannten Variationen in der Tunneloxiddicke selbst benachbarter Zellen zu Parameterschwankungen führen können, welche den zu messenden Unterschied im magnetoresistiven Widerstand in der Größenordnung von 10-20% überwiegen können. Here, however, the problem arises that the above Variations in the tunnel oxide thickness of even neighboring cells can lead to parameter fluctuations, which measuring difference in magnetoresistive resistance in the Of the order of 10-20%.
Alternativ kann auch ein direkt schaltendes Lesen angewandt werden. Dabei wird während der Strommessung zur Bestimmung des Speicherzellwiderstandes dieser so hoch eingeprägt, daß eine Ummagnetisierung, d. h. eine Umprogrammierung, des Zellinhaltes vorgenommen wird. Ändert sich dabei die Stromstärke aufgrund eines veränderten Widerstandes bei nun bekanntem Magnetisierungszustand der Zelle, so ist bekannt, wie der Zustand vor der Stromzuschaltung war. Entsprechendes gilt für den Fall, daß keine Änderung vorliegt. Durch die hohen Zellwiderstände bei geringer Spannung ergibt sich hierbei allerdings der Nachteil, daß die zu erwartende Stromänderung im Promillebereich liegt, und somit schwer zu detektieren ist. Vor allem aber ist diese Lesemethode destruktiv, d. h. bei Widerstandsänderung muß der Speicherzelleninhalt vor dem Lesevorgang wieder hergestellt werden. Alternatively, direct switching reading can also be used become. It is used for determination during the current measurement of the memory cell resistance so impressed that magnetic reversal, d. H. a reprogramming, the Cell content is made. The current intensity changes due to a changed resistance in the now known Magnetization state of the cell is known as the State before the power was switched on. The same applies to the case that there is no change. By the high This results in cell resistances at low voltage however, the disadvantage that the expected change in current in Alcohol range is, and is therefore difficult to detect. But above all, this reading method is destructive, i. H. at The memory cell content must change before the resistance Read process to be restored.
Eine weitere Möglichkeit ist in DE 199 47 118 A1 beschrieben. Nacheinander werden zwei Spannungen jeweils in einer Kapazität gespeichert, deren Werte von den Widerständen in der Speicherzelle vor und nach einem Programmier- bzw. Schaltversuch abhängig sind. Die Spannungen können jeweils mit eigenen zusätzlichen Widerständen definiert werden, um z. B. einen Vergleich in einem Differenzverstärker zu ermöglichen. Nur für einen erfolgreichen Programmierversuch erhält man unterschiedliche, in den Kapazitäten gespeicherte Spannungen. Grundsätzlich entsteht aber auch hier ein Nachteil, daß nämlich durch zerstörende Lesemethoden der ursprüngliche Speicherinhalt wieder eingeschrieben werden muß, und daß durch das aufwendige Wiedereinlesen Zeit und Energie aufgebracht werden müssen. Desweiteren besteht in dieser Lösung der Nachteil, daß zwar Ströme durch nicht selektierte Wort- und Bitleitungen zu einer Reduktion parasitärer Effekte führen können, aber die Zellenfeldgröße dadurch zwangsläufig begrenzt ist. Another possibility is described in DE 199 47 118 A1. One after the other two voltages become Capacitance stored, the values of which are from the resistors in the Memory cell before and after a programming or Switching attempts are dependent. The voltages can each have their own additional resistances can be defined, e.g. B. one To enable comparison in a differential amplifier. Just for a successful programming attempt you get different voltages stored in the capacities. Basically, there is also a disadvantage here that namely the original through destructive reading methods Memory content must be rewritten, and that by the time-consuming and energy-intensive rereading Need to become. Furthermore, this solution consists of Disadvantage that although currents through unselected word and Bit lines reduce parasitic effects can, but this necessarily limits the cell field size is.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterspeicher mit magnetoresistiven Speicherzellen sowie ein Verfahren zum Betrieb des Halbleiterspeichers bereitzustellen, mit dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine schnelle, genaue und sichere Bewertung einer Speicherzelle oder eines Speicherzellenfeldes unter Vermeidung parasitärer Effekte möglich werden. Based on the state of the art, the present invention the task of a Semiconductor memory with magnetoresistive memory cells and a method provide for the operation of the semiconductor memory with which the disadvantages described can be avoided. In particular, a quick, accurate, and secure assessment should a memory cell or a memory cell array under Avoiding parasitic effects.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Halbleiterspeicher mit sich kreuzenden Wort- und Bitleitungen, an denen magnetoresistive Speicherzellen angeordnet sind, die jeweils wenigstens umfassen: eine erste magnetische Schicht mit einer ersten Magnetisierungsachse, eine dazwischen angeordnete isolierende Schicht, eine zweite magnetische Schicht mit einer zweiten Magnetisierungsachse, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Schicht aus hartem ferromagnetischem Material gebildet ist, und die zweite magnetische Schicht aus weichem ferromagnetischem Material gebildet ist, und die erste und zweite Magnetisierungsachse sich projiziert in eine durch die Wort- und die Bitleitung aufgespannte Ebene schneiden, sowie durch ein Verfahren zum Betrieb des Halbleiterspeichers. The problem is solved with a semiconductor memory crossing word and bit lines on which magnetoresistive memory cells are arranged, each at least comprise: a first magnetic layer with a first Magnetization axis, an insulating one arranged between them Layer, a second magnetic layer with a second Magnetization axis, characterized in that the first magnetic layer made of hard ferromagnetic material is formed, and the second magnetic layer of soft ferromagnetic material is formed, and the first and projected into a second axis of magnetization through the Intersect word and the bit line spanned plane, as well by a method for operating the semiconductor memory.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Further refinements of the present invention are in the dependent subclaims.
Die magnetoresistiven Speicherzellen umfassen TMR-Elemente (tunnel magnetoresistive) oder GMR-Elemente (giant magnetoresistive) oder ähnliche Speicherelemente, welche an Kreuzungspunkten der Wort- und Bitleitungen im Speicherzellenfeld jeweils zwischen diesen eingerichtet sind. Erfindungsgemäß umfassen diese Elemente eine hartmagnetische Schicht und eine weichmagnetische Schicht, welche z. B. durch eine dünne Tunneloxidbarriere als Isolatorschicht getrennt sind. Die hartmagnetische ferromagnetische Schicht besitzt die Eigenschaft eine Restmagnetisierung, die sog. Remanenz, bei Abschalten eines von außen angelegten Magnetfeldes aufzuweisen, d. h. es liegt eine magnetische Hysterese vor. The magnetoresistive memory cells include TMR elements (tunnel magnetoresistive) or GMR elements (giant magnetoresistive) or similar memory elements, which Crossing points of the word and bit lines in the memory cell array are each set up between them. According to the invention these elements comprise a hard magnetic layer and a soft magnetic layer, which, for. B. by a thin Tunnel oxide barrier are separated as an insulator layer. The hard magnetic ferromagnetic layer has the property a residual magnetization, the so-called remanence, when switching off to have an externally applied magnetic field, d. H. it there is a magnetic hysteresis.
Die weichmagnetische, ferromagnetische Schicht ist durch schmale Hysteresekurven, d. h. durch nur geringe Remanenz und entsprechend kleiner Koerzitivfeldstärke bestimmt. Sie dient erfindungsgemäß daher nicht wie die hartmagnetische Schicht als Speicherschicht, welche durch Anlegen eines Magnetfeldes z. B. durch Stromfluß durch Wort- und/oder Bitleitung umgeschaltet werden kann, sondern als Sensorschicht zum Auslesen der in der hartmagnetischen Schicht gespeicherten Information, d. h. der Ausrichtung der (Rest-)Magnetisierung in dieser Schicht. Eine mögliche, geringe Restmagnetisierung in der weichmagnetischen Schicht hat keinen Einfluß auf das Ausleseergebnis. Magnetisierungsänderungen in der weichmagnetischen Schicht durch externe Störfelder spielen daher vorteilhafter Weise kaum eine Rolle. The soft magnetic, ferromagnetic layer is through narrow hysteresis curves, d. H. due to only slight remanence and determined correspondingly small coercive field strength. she serves therefore not according to the invention like the hard magnetic layer as a storage layer, which is created by applying a magnetic field z. B. by current flow through word and / or bit line can be switched, but as a sensor layer for reading the one stored in the hard magnetic layer Information, d. H. the alignment of the (residual) magnetization in this Layer. A possible, low residual magnetization in the soft magnetic layer has no influence on that Readout result. Magnetization changes in the soft magnetic Layer caused by external interference fields are therefore more advantageous Hardly a role.
Die magnetischen Schichten weisen uniaxiale Anisotropie, d. h. jeweils leichte Magnetisierungsachsen, auf, bei denen die aktuelle Magnetisierungsrichtung entweder entlang der Achse in die eine oder in die dazu genau entgegengesetzte Richtung zeigt. Erfindungsgemäß schneiden sich die beiden Achsen der beiden Schichten in einer durch die Bit- und Wortleitungen definierten Ebene, liegen also nicht - wie im herkömmlichen Fall - parallel zueinander. Vorzugsweise stehen die Achsen senkrecht aufeinander. Die Magnetisierungsachse der weichmagnetischen Schicht ist derart ausgerichtet, daß die betreffende Magnetisierungsrichtung durch das äußere Magnetfeld, welches durch einen Stromfluß z. B. in der Wortleitung induziert wird, beeinflußt werden kann. Die Beeinflussung besteht in einer Auslenkung, d. h. Drehung, der Magnetisierungsrichtung in der weichmagnetischen Schicht aus der stabilen Konfiguration entlang der Magnetisierungsachse heraus. Die Magnetisierungsrichtung schließt dann einen Winkel mit der leichten bzw. mit der schweren Magnetisierungsachse, welche die labile Konfiguration der Magnetisierung bezeichnet, ein. The magnetic layers have uniaxial anisotropy, i. H. each light magnetization axes, on which the current magnetization direction either along the axis in one or in the opposite direction shows. According to the two axes of the intersect two layers in one through the bit and word lines defined level, are therefore not - as in the conventional Case - parallel to each other. The axes are preferably stationary perpendicular to each other. The magnetization axis of the soft magnetic layer is oriented such that the direction of magnetization in question by the external magnetic field, which by a current flow z. B. in the word line is induced, can be influenced. The influence exists in a deflection, d. H. Rotation Magnetization direction in the soft magnetic layer from the stable Configuration along the magnetization axis. The The magnetization direction then makes an angle with the light or with the heavy magnetization axis, which the called labile configuration of magnetization.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist daher die Magnetisierungsachse der weichmagnetischen Schicht im wesentlichen parallel zur verbundenen Wortleitung angeordnet. Auch eine schrägwinkelige Anordnung ist möglich. Erst eine im wesentlichen senkrechte Anordnung der Magnetisierungsachse zur Wortleitung macht eine Auslenkung der aktuellen Magnetisierung in Winkelrichtung zur schweren Magnetisierungsachse unmöglich. In an advantageous embodiment of the present Invention is therefore the magnetization axis of the soft magnetic Layer essentially parallel to the connected word line arranged. An oblique-angled arrangement is also possible. Only an essentially vertical arrangement of the Magnetization axis to the word line makes a deflection of the current magnetization in the angular direction to the heavy Magnetization axis impossible.
Es erschließt sich logisch, daß die Erfindung auch mit einer Anordnung funktioniert, bei der die o. g. Bitleitungen und Wortleitungen in ihrer Funktion wechselseitig ausgetauscht sind. Dieser Fall ist in der Erfindung mit eingeschlossen. It is logical that the invention also with a Arrangement works, in which the above-mentioned. Bit lines and Word lines mutually exchanged in their function are. This case is included in the invention.
Die uniaxiale Anisotropie der Speicherschicht wird durch Abscheidung/Temperung im Magnetfeld und/oder die Form der Speicherelemente festgelegt. Insbesondere ist ein Antiferromagnet als sog. Pinning Layer nicht erforderlich. The uniaxial anisotropy of the storage layer is due to Deposition / annealing in the magnetic field and / or the shape of the Storage elements set. In particular, is an antiferromagnet as a so-called pinning layer not required.
Die Wirkung der Erfindung beruht auf der Detektion eines unterschiedlichen Widerstandes im Speicherelement beim Auslesen des Informationsgehaltes je nach Magnetisierungsrichtung in der hartmagnetischen Schicht bei Einprägung eines Stroms in z. B. die Wortleitung mit der Folge einer Magnetfeldänderung, welche unmittelbar auf die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht einwirkt. Die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht wird dadurch ausgelenkt, und zwar entweder in eine parallele oder in eine antiparallele Richtung relativ zur Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht. Entsprechend der relativen Ausrichtung ändert sich der magnetoresistive Widerstand des Elementes, welcher über eine Strom- oder Spannungsmessung ermittelt werden kann. The effect of the invention is based on the detection of a different resistance in the memory element when reading the information content depending on the direction of magnetization in the hard magnetic layer when a current is impressed in z. B. the word line with the consequence of a magnetic field change, which is directly related to the magnetization direction of the acts soft magnetic layer. The The magnetization direction of the soft magnetic layer is deflected by either in a parallel or in a antiparallel direction relative to the magnetization direction of the hard magnetic layer. According to the relative orientation the element's magnetoresistive resistance changes, which is determined via a current or voltage measurement can be.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der über die Wortleitung eingeprägte Strom zeitlich variiert, vorzugsweise als Wechselstrom mit dem Verlauf einer Sinuskurve. Dieser erzeugt ein magnetisches Wechselfeld parallel zur schweren Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht. Dadurch wird die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht aus der leichten Magnetisierungsrichtung in Phase mit dem Magnetfeld um einen Winkel ausgelenkt, welcher bei paralleler Anordnung von Magnetisierungsachse der weichmagnetische Schicht und der Wortleitung maximal 90° betragen kann. In a further, particularly advantageous embodiment of the present invention is the wordline impressed current varies over time, preferably as an alternating current with the course of a sine curve. This creates a alternating magnetic field parallel to the heavy one Magnetization direction of the sensor layer. This will magnetize the soft magnetic layer from the light Magnetization direction in phase with the magnetic field at an angle deflected, which with parallel arrangement of Magnetization axis of the soft magnetic layer and the word line can be a maximum of 90 °.
Da die Magnetisierungsänderung in schwerer Magnetisierungsrichtung linear und hysteresefrei ist, sind die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht und das äußere Magnetfeld in Phase. Die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht ändert sich für Feldamplituden unterhalb der Sättigungsfeldstärke (Koerzitivkraft, Anistropiefeldstärke) ebenfalls sinusförmig, geht aber für diese Kraft übersteigende Feldamplituden in Sättigung über (siehe Fig. 3), so daß ein rechteckförmiger Magnetisierungsverlauf entsteht. Auch die rechteckförmigen Signalverläufe können mit der vorliegende Erfindung ausgewertet werden, die Amplitude des zu messenden Strom- oder Spannungssignals kann jedoch für diese Kraft übersteigende Feldamplituden des Magnetfeldes nicht mehr erhöht werden. Since the magnetization change in the heavy magnetization direction is linear and free of hysteresis, the magnetization of the soft magnetic layer and the external magnetic field are in phase. The magnetization of the soft magnetic layer also changes sinusoidally for field amplitudes below the saturation field strength (coercive force, anistropy field strength), but changes into saturation for field amplitudes that exceed this force (see FIG. 3), so that a rectangular magnetization curve is produced. The rectangular waveforms can also be evaluated with the present invention, but the amplitude of the current or voltage signal to be measured can no longer be increased for field amplitudes of the magnetic field that exceed this force.
Mit der Frequenz des Wechselstroms ändert sich infolgedessen
auch der magnetoresistive Widerstand RMR mit:
wobei die Zeichen + und - den beiden möglichen Zuständen der
Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht
entsprechen. α ist der von den Magnetisierungsrichtungen der harten
und weichmagnetischen Schicht eingeschlossene Winkel,
φ = (π/2) - α ist der Phasenwinkel des äußeren Magnetfeldes,
ΔR bezeichnet den Unterschied im magnetoresistiven
Widerstand zwischen Zuständen paralleler und antiparalleler
Ausrichtung der Magnetisierungen und liegt typischerweise im
Wertebereich von 10% bis 30% von RMR.
As a result, the magnetoresistive resistance RMR also changes with the frequency of the alternating current:
where the signs + and - correspond to the two possible states of the direction of magnetization of the hard magnetic layer. α is the angle enclosed by the magnetization directions of the hard and soft magnetic layer, φ = (π / 2) - α is the phase angle of the external magnetic field, ΔR denotes the difference in magnetoresistive resistance between states of parallel and anti-parallel alignment of the magnetizations and is typically in the range of values from 10% to 30% of R MR .
Die Erhaltung der Speicherinformation in der hartmagnetischen Schicht ist gewährleistet, wenn die Feldamplitude des Wechselfeldes unterhalb der Koerzitivkraft dieser Schicht liegt. Da die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht wesentlich größer als die Koerzitivkraft der weichmagnetischen Schicht ist, bei welcher Größenordnung die Feldamplitude vorzugsweise gewählt wird, und da kein weiteres Magnetfeld bei der erfindungsgemäßen Auslesemethode auf das Speicherelement einwirkt, kann diese Bedingung leicht realisiert werden. Preserving the storage information in the hard magnetic Layer is guaranteed if the field amplitude of the Alternating field is below the coercive force of this layer. Since the coercive force of the hard magnetic layer is essential greater than the coercive force of the soft magnetic layer is at which order of magnitude the field amplitude is preferred is selected, and since there is no further magnetic field in the the reading method according to the invention acts on the storage element, this condition can be easily realized.
Die variierende Spannung bzw. der variierende Strom wird zum Auslesen auf beispielsweise die aktuell selektierte Wortleitung gegeben und mittels eines geeignet gewählten zusätzlichen Widerstandes, welcher wesentlich niedriger als der magnetoresistive Widerstand der Speicherzelle liegt, mit dem Grundpotential verbunden. Der Halbleiterspeicher umfaßt dazu eine entsprechende Wechselspannungs- bzw. -stromquelle. Durch diese Wahl des zusätzlichen Widerstandes wird ein möglichst geringe Rückwirkung des Stromflusses bzw. des Spannungsabfalles am Speicherlement auf das Signal in der Wortleitung und im Speicherlement gewährleistet. The varying voltage or current becomes Read out, for example, to the currently selected one Given word line and by means of a suitably chosen additional resistance, which is significantly lower than that magnetoresistive resistance of the memory cell lies with which Basic potential connected. For this purpose, the semiconductor memory comprises a corresponding AC voltage or current source. By this choice of additional resistance becomes one if possible low reaction of the current flow or Voltage drop at the storage element to the signal in the word line and guaranteed in the storage element.
Infolge der Gültigkeit der Beziehung UMR = IMR.RMR ändert sich die durch eine Spannungsmeßeinrichtung im Halbleiterspeicher gemessene Spannung UMR zwischen Wort- und Bitleitung bzw. die am Speicherlement anliegende Spannung sowohl mit der Variation des Stromes IMR durch das Speicherelement als auch mit der Änderung des magnetoresistiven Widerstandes RMR des selektierten Speicherelementes. Diese Änderungen sind aber in Abhängigkeit von der parallelen oder antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen gerade entweder in Phase oder gegenphasig. Somit entstehen für jede der beiden Ausrichtungsmöglichkeiten unterschiedliche Spannungssignale. Eine analoge Beziehung gilt für den Fall, daß der Strom durch das Speicherelement der magnetoresistiven Speicherzelle mittels einer Strommeßeinrichtung z. B. an der Bitleitung gemessen wird. As a result of the validity of the relationship U MR = I MR .R MR , the voltage U MR between the word and bit lines measured by a voltage measuring device in the semiconductor memory or the voltage applied to the memory element changes both with the variation of the current I MR through the memory element and also with the change in the magnetoresistive resistance R MR of the selected memory element. However, depending on the parallel or anti-parallel orientation of the magnetizations, these changes are either in phase or out of phase. This creates different voltage signals for each of the two alignment options. An analogous relationship applies in the event that the current through the memory element of the magnetoresistive memory cell by means of a current measuring device, for. B. is measured on the bit line.
Die Erfindung soll nun an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen: The invention will now be illustrated using an exemplary embodiment a drawing will be explained in more detail. In it show:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Speicherzellenfeldes, Fig. 1 shows an inventive embodiment of a memory cell array,
Fig. 2 in Draufsicht auf eine Speicherzelle die Ausrichtung der Magnetisierungsachsen und Magnetfelder (a), und in Schrägansicht die Einstellungsmöglichkeiten sowie die erfindungsgemäße Auslenkung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht (b), Fig. 2 is a plan view of a memory cell, the orientation of the magnetization axis and magnetic fields (a), and an oblique view of the adjustment possibilities and the deflection according to the invention the magnetization of the soft magnetic layer (b),
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abbildung des äußeren variierenden Magnetfeldes auf die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht, Fig. 3 is a diagram illustrating the mapping of external varying magnetic field on the magnetization of the soft magnetic layer,
Fig. 4 jeweils einen Schaltplan für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit in die Wortleitung eingespeistem Wechselstrom (a) beziehungsweise eingespeister Wechselspannung (b), Fig 4 are each a circuit diagram of an inventive embodiment with eingespeistem in the word line alternating current (a) and fed into the grid alternating voltage. (B)
Fig. 5 ein beispielhaftes Diagramm für eine am Speicherelement gemessene Wechselspannung, welche aus einem erfindungsgemäß in die Wortleitung eingespeisten Wechselstrom für zwei verschiedene Ausrichtungen der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht resultiert. Fig. 5 is an exemplary diagram for a measured at the storage element ac voltage, which results from the present invention fed in the word line AC for two different orientations of the magnetization of the hard magnetic layer.
Eine erfindungsgemäße Anordnung von Speicherzellen 1 in einem Halbleiterspeicher 2, welche zwischen Wortleitungen 8 und Bitleitungen 9 angeordnet sind, ist in Fig. 1 zu sehen. Die Speicherzellen 1 beziehungsweise Speicherelemente mit tunnelmagnetoresistivem Widerstand (TMR-Elemente) umfassen eine harte ferromagnetische Schicht 10, eine Isolatorschicht 12, d. h. ein Tunneloxid, und eine weiche ferromagnetische Schicht 11. Die Richtungen der Magnetisierung 20, 21 sind - ohne einwirkende Magnetfelder - jeweils parallel zu den mit der Schicht verbundenen Wort- beziehungsweise Bitleitungen. Die Wortleitungen 8 stehen senkrecht auf den Bitleitungen 9, so daß auch die den aktuellen Richtungen der Magnetisierung entsprechenden leichten Magnetisierungsachen 30, 31 der harten 10 und weichen ferromagnetischen Schichten 11 senkrecht aufeinander stehen. An arrangement according to the invention of memory cells 1 in a semiconductor memory 2 , which are arranged between word lines 8 and bit lines 9 , can be seen in FIG. 1. The memory cells 1 or memory elements with tunnel magnetoresistive resistance (TMR elements) comprise a hard ferromagnetic layer 10 , an insulator layer 12 , ie a tunnel oxide, and a soft ferromagnetic layer 11 . The directions of the magnetization 20 , 21 are - without any magnetic fields acting - in each case parallel to the word or bit lines connected to the layer. The word lines 8 are perpendicular to the bit lines 9 , so that the light magnetization axes 30 , 31 of the hard 10 and soft ferromagnetic layers 11 corresponding to the current directions of magnetization are perpendicular to one another.
Die Information ist in der Richtung der Magnetisierung der harten ferromagnetischen Schicht 10 gespeichert. Beispielsweise entspricht einer Orientierung nach links in Fig. 2b eine logische "1" und einer Orientierung nach rechts eine logische "0". Die Ausrichtung 21 der ohnehin geringen Magnetisierung in der weichen ferromagnetischen Schicht 11 ist im stromfreien Fall zufällig und hat für die Speicherinformation zunächst keine Bedeutung. The information is stored in the direction of magnetization of the hard ferromagnetic layer 10 . For example, an orientation to the left in FIG. 2b corresponds to a logical "1" and an orientation to the right corresponds to a logical "0". The orientation 21 of the already low magnetization in the soft ferromagnetic layer 11 is random in the current-free case and is initially of no importance for the storage information.
Der Einfluß des aus einer Wechselstromquelle 50 in die Wortleitung 8 eingeprägten Wechselstroms Iy zum Auslesen des Speicherinhaltes ist in einer Draufsicht auf eine der Speicherzellen 1 in Fig. 2a dargestellt. Die Ausrichtung der Wortleitung 8 wird in diesem Ausführungsbeispiel als Y- Koordinate verstanden. Der Stromfluß Iy erzeugt ein Magnetfeld ≙X unter anderem in der innerhalb der Draufsicht unter der Wortleitung 8 angeordneten weichen ferromagnetischen Schicht 11. Da die leichte Magnetisierungsachse 31 der weichmagnetischen Schicht 11 parallel zur Wortleitung 8 liegt, steht die Magnetfeldrichtung senkrecht zur leichten Magnetisierungsachse. Durch das äußere Magnetfeld ≙X wird die Magnetisierungsrichtung 21 der weichmagnetischen schicht um den Winkel φ aus der Position der leichten Magnetisierungsachse 31 ausgelenkt, wie in der schematischen Schrägsicht auf der rechten Seite in Fig. 2b zu erkennen ist. The influence of the alternating current Iy impressed into the word line 8 from an alternating current source 50 for reading out the memory content is shown in a plan view of one of the memory cells 1 in FIG. 2a. The alignment of the word line 8 is understood in this exemplary embodiment as a Y coordinate. The current flow Iy generates a magnetic field ≙ X, inter alia, in the soft ferromagnetic layer 11 arranged under the word line 8 within the plan view. Since the easy magnetization axis 31 of the soft magnetic layer 11 is parallel to the word line 8 , the magnetic field direction is perpendicular to the easy magnetization axis. The magnetization direction 21 of the soft magnetic layer is deflected by the external magnetic field ≙ X by the angle φ from the position of the easy magnetization axis 31 , as can be seen in the schematic oblique view on the right side in FIG. 2b.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der schweren Magnetisierungskomponente MX der als Sensorschicht fungierenden weichmagnetischen Schicht von dem sinusförmigen magnetischen Wechselfeld ≙X für zwei Fälle gezeigt. Im ersten Fall (fett gezeichnete Sinuskurve) ist die Amplitude HX 0 des Magnetfeldes kleiner als die Koerzitivkraft der weichmagnetischen Schicht, HX 0 ≤ HC W, d. h. gleich der Anisotropiefeldstärke bei uniaxialer Anistropie. Die Stärke der Auslenkung der Magnetisierung ist dann ebenfalls sinusförmig. In Fig. 3 the dependence of the heavy component of magnetization M X is the sensor layer acting as the soft magnetic layer of the sinusoidal alternating magnetic field ≙ X for two cases shown. In the first case (bold sinusoid), the amplitude H X 0 of the magnetic field is smaller than the coercive force of the soft magnetic layer, H X 0 ≤ H C W , ie equal to the anisotropy field strength with uniaxial anistropy. The strength of the deflection of the magnetization is then also sinusoidal.
Im zweiten Fall (dünn gezeichnete Sinuskurve) gilt HX 0 > HC W, und die Magnetisierung tritt in Sättigung ein, so daß ein rechteckförmiger Magnetisierungsverlauf entsteht. In the second case (thinly drawn sine curve), H X 0 > H C W applies, and the magnetization saturates, so that a rectangular magnetization curve is created.
In Fig. 4a ist ein Ausschnitt des TMR-Zellenfeldes des Ausführungsbeispieles als schematisches Schaltbild dargestellt. Zum Einschreiben von Information in den Speicher werden wie beim Stand der Technik Gleichstromimpulse hinreichender Größe und definierter Richtung durch die sich an dem selektierten Element kreuzenden Leiterbahnen geschickt. Bedingung für das Schreiben ist, daß das resultierende Magnetfeld die Schaltschwelle der hartmagnetischen Schicht überschreitet. In Fig. 4a, a section of the TMR cell array is shown the embodiment as a schematic diagram. To write information into the memory, as in the prior art, direct current pulses of sufficient size and defined direction are sent through the interconnects intersecting at the selected element. The condition for writing is that the resulting magnetic field exceeds the switching threshold of the hard magnetic layer.
Das Auslesen des Informationsgehaltes der selektierten
Speicherzelle erfolgt durch einen Wechselstrom
Iy = IY 0.sinωt
mit konstanter Amplitude IY 0 durch die entsprechende
Wortleitung 8, sowie die Analyse der Spannung zwischen den sich
an der selektierten Speicherzelle kreuzenden Wort- 8 und
Bitleitungen 9. Die nicht selektierten Leitungen sind sowohl von
Wechselstromquelle 50 als auch von der Ausleseelektronik
umfassend eine Spannungsmeßeinrichtung getrennt.
The information content of the selected memory cell is read out by an alternating current
I y = I Y 0 .sinωt
with constant amplitude I Y 0 through the corresponding word line 8 , as well as the analysis of the voltage between the word 8 and bit lines 9 crossing at the selected memory cell. The unselected lines are separated from AC power source 50 as well as from the readout electronics, including a voltage measuring device.
Durch den Strom IY wird die Magnetisierungsrichtung 21 der
weichmagnetischen Schicht 11 moduliert, so daß sich mit dem
gleichfalls variierenden Winkel zwischen den
Magnetisierungsrichtungen 20, 21 der weichmagnetischen 11 und
hartmagnetischen 10 Schicht der magnetoresistive Widerstand RMR
sinusförmig ändert. Der tatsächlich durch das Speicherlement
fließende Strom IMR steht in konstantem Verhältnis zum
eingeprägten Strom IY, wenn z. B. der in Fig. 4a unten gezeigte
zusätzliche Widerstand in der Schaltung in geeigneter Größe
berücksichtigt wird. Die am Speicherelement abfallende
Spannung beträgt damit
UMR = c.IY.RMR,
wobei c ≍ RL/R0, mit den beispielsgemäßen Werten für den
Leiterbahnwiderstand RL ≍ 1 0 kΩ, sowie für den Mittelwert des
magnetoresistiven Widerstandes R0 ≍ 100 kΩ.
The magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 is modulated by the current I Y , so that the magnetoresistive resistance R MR changes sinusoidally with the likewise varying angle between the magnetization directions 20 , 21 of the soft magnetic 11 and hard magnetic layer 10 . The current I MR actually flowing through the storage element is in constant relation to the impressed current I Y , if z. B. the additional resistance shown in Fig. 4a below is taken into account in the circuit in a suitable size. The voltage drop across the storage element is thus
U MR = cI Y .R MR ,
where c ≍ R L / R 0 , with the exemplary values for the conductor resistance R L ≍ 1 0 kΩ, and for the mean value of the magnetoresistive resistance R 0 ≍ 100 kΩ.
Mit obigen Gleichungen ergibt sich
mit den drei zu addierenden Spannungskomponenten:
welche jeweils einen konstanten Spannungsbeitrag U1, die
Grundschwingung U2 und eine erste Oberwelle U3 darstellen.
Durch den nichtlinearen magnetoresistiven Widerstand entsteht
eine Gleichrichterwirkung, die zu einer
Gleichspannungskomponente U1 führt, deren Vorzeichen von der
Magnetisierungsrichtung 20 in der hartmagnetischen Speicherschicht 10 und
damit von der gespeicherten Information abhängt. Die Zeit-
und Phasenabhängigkeiten der relevanten Größen sind in Fig. 5
für den Fall HX 0 ≤ HC W dargestellt.
With the above equations we get
with the three voltage components to be added:
which each represent a constant voltage contribution U 1 , the fundamental oscillation U 2 and a first harmonic U 3 . The nonlinear magnetoresistive resistance creates a rectifier effect, which leads to a DC voltage component U 1 , the sign of which depends on the direction of magnetization 20 in the hard magnetic storage layer 10 and thus on the stored information. The time and phase dependencies of the relevant quantities are shown in FIG. 5 for the case H X 0 H H C W.
Die am Speicherelement anliegende Spannung UMR hat in der ersten und zweiten Halbperiode unterschiedliche Amplituden, wobei das Vorzeichen der resultierenden Gleichspannungskomponente von der Magnetisierungsrichtung 20 in der hartmagnetischen Speicherschicht 10 bestimmt wird. Dies ist in Fig. 5 jeweils durch die fett bzw. dünn gezeichneten Kurvenverläufe verdeutlicht. The voltage U MR applied to the storage element has different amplitudes in the first and second half-period, the sign of the resulting DC voltage component being determined by the magnetization direction 20 in the hard magnetic storage layer 10 . This is illustrated in FIG. 5 by the bold or thin curve curves.
Wird ein größeres Magnetfeld HX mit HC H > HX 0 > HC W angelegt, wobei HC H die Koerzitivkraft der hartmagnetischen Schicht 10 ist, so geht die Magnetisierungskomponente MX der Magnetisierungsrichtung 21 der weichmagnetischen Schicht 11 in X-Richtung, also in Richtung der Bitleitung 9, in Sättigung über. Dann entsteht wie beschrieben ein rechteckförmiger Kurvenverlauf der Magnetisierungskomponente MX und des magnetoresitiven Widerstandes RMR. In diesem Fall läßt sich das Signal in eine höhere Zahl von weiteren Oberwellen zerlegen. Erfindungsgemäß kann aber auch dieser rechteckförmige Verlauf oder beliebige andere periodische Wechselsignale ausgewertet werden. If a larger magnetic field H X with H C H > H X 0 > H C W is applied, where H C H is the coercive force of the hard magnetic layer 10 , then the magnetization component M X of the magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 goes in the X direction, So in the direction of bit line 9 , in saturation. Then, as described, a rectangular curve of the magnetization component M X and the magnetoresistive resistor R MR arises. In this case, the signal can be broken down into a higher number of further harmonics. According to the invention, however, this rectangular profile or any other periodic alternating signals can also be evaluated.
Durch die Bestimmung des Vorzeichens von U1 kann vorteilhaft auf den Informationsgehalt der Zelle geschlossen werden. Die präzise Kenntnis des mittleren Zellwiderstandes R0 sowie des magnetoresistiven Widerstandseffektes ΔR ist nicht notwendig. Für die Detektion in dem Ausführungsbeispiel wird die in Fig. 4a gezeigte Spannungsmeßeinrichtung benutzt. The information content of the cell can advantageously be deduced from the determination of the sign of U 1 . A precise knowledge of the mean cell resistance R 0 and the magnetoresistive resistance effect ΔR is not necessary. The voltage measuring device shown in FIG. 4a is used for the detection in the exemplary embodiment.
Die Spannungskomponente U2 enthält keine Information über den Speicherinhalt der Speicherzelle 1. The voltage component U 2 contains no information about the memory content of the memory cell 1 .
Die erste Oberwelle U3 mit der doppelten Frequenz im Vergleich zur Grundschwingung hingegen enthält wiederum ein von der Magnetisierungsrichtung 20 der hartmagnetischen Schicht 10 abhängiges Vorzeichen. Wie bei U1 ist die genaue Kenntnis des mittleren Zellwiderstandes R0 sowie des magnetoresistiven Widerstandseffektes ΔR nicht erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es hinreichend, das Vorzeichen oder die Phasenlage bezüglich IY festzustellen. In contrast, the first harmonic U 3 with twice the frequency in comparison to the fundamental oscillation in turn contains a sign which is dependent on the magnetization direction 20 of the hard magnetic layer 10 . As with U 1 , precise knowledge of the mean cell resistance R 0 and the magnetoresistive resistance effect ΔR is not necessary. According to the present invention, it is sufficient to determine the sign or the phase position with respect to I Y.
Mit einem eingeprägten sinusförmigen Wechselstrom mit der
Amplitude IY 0 = 1 mA und einem Verhältnis ΔR/R0 = 20% ergibt
sich für die Komponenten des Spannungsabfalls:
U1 = 50 mV
U2 = 1,1 V
U3 = 5 0 mV
With an impressed sinusoidal alternating current with the amplitude I Y 0 = 1 mA and a ratio ΔR / R 0 = 20%, the following results for the components of the voltage drop:
U 1 = 50 mV
U 2 = 1.1 V
U 3 = 5 0 mV
Somit liegen die Beträge der zu detektierenden Signale in der Größenordnung von 5% der Grundschwingung. Eine solche Messung ist daher technisch leicht durchführbar. The amounts of the signals to be detected are thus in the The order of 5% of the fundamental vibration. Such Measurement is therefore technically easy to carry out.
Der Anteil der Gleichspannungskomponente U1 wird vom Wechselspannungsanteil U2 durch Integration über eine Meßdauer von einer oder wenigen Schwingungsperioden getrennt, beziehungsweise hierdurch vom Gesamtsignal UMR abgeleitet. Bei einer Wechselstromfrequenz von 100 Mhz liegt die Meßdauer im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 10 Nanosekunden. Mittels RC-minimierter Leiterbahnen kann die Meßdauer noch niedriger ausgelegt werden. Andererseits kann durch längere Integrationszeiten das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die Auslesesicherheit erhöht werden. Die Verwendung von Tiefpässen, Verstärkern und/oder Komparatoren in der Spannungsmeßeinrichtung zum Auslesen des Informationsgehaltes ist dazu ebenfalls vorteilhaft. The proportion of the direct voltage component U 1 is separated from the alternating voltage component U 2 by integration over a measuring period of one or a few oscillation periods, or is thereby derived from the overall signal U MR . At an alternating current frequency of 100 MHz, the measurement duration in the present exemplary embodiment is 10 nanoseconds. The measurement duration can be designed to be even shorter using RC-minimized conductor tracks. On the other hand, the signal-to-noise ratio and thus the readout security can be increased by longer integration times. The use of low-pass filters, amplifiers and / or comparators in the voltage measuring device for reading out the information content is also advantageous for this purpose.
Die erste Oberwelle U3 kann durch phasenselektive Verstärkung, z. B. in sogenannter Lock-in-Technik detektiert werden. Auch diese Technik bietet die Möglichkeit hohe Signal-zu- Rausch-Verhältnisse zu erreichen. The first harmonic U 3 can by phase selective amplification, for. B. can be detected in so-called lock-in technology. This technology also offers the possibility of achieving high signal-to-noise ratios.
In Fig. 4b ist für ein zum obigen Ausführungsbeispiel analoges weiteres Ausführungsbeispiel ein schematischer Schaltungsplan des Halbleiterspeichers dargestellt, bei dem eine Spannungsquelle 51 eine Wechselspannung in die Wortleitung 8 einprägt, während eine Strommeßeinrichtung 61 den Strom durch die Speicherzelle mißt. In ähnlicher Weise wie beim Spannungssignal ergeben sich auch hier für das zu messende Stromsignal wie in Fig. 5 Stromterme bestehend aus Gleichstrom, Grundschwingung und Oberwellen. Die Gleichstrom- bzw. Oberwellenterme sind vorzeichenbehaftet in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung 20 der hartmagnetischen Schicht 10 und werden in diesem Ausführungsbeispiel analog zum obigen Ausführungsbeispiel ausgelesen, anschließend vom Gesamtsignal UMR abgeleitet - etwa durch Integration, Tiefpässe, Komparatoren etc., und ausgewertet. In Fig. 4b is a schematic circuit diagram of the semiconductor memory is shown for an analog to the above embodiment, another embodiment, in which a voltage source 51, an AC voltage in the word line 8 imprints, while a current measuring device 61 measures the current through the memory cell. In a similar way to the voltage signal, the current signal to be measured, as in FIG. 5, also has current terms consisting of direct current, fundamental wave and harmonics. The direct current or harmonic terms are signed depending on the magnetization direction 20 of the hard magnetic layer 10 and are read out in this exemplary embodiment analogously to the above exemplary embodiment, then derived from the overall signal UMR - for example by integration, low-pass filters, comparators etc., and evaluated.
Durch die Erfindung entsteht der weitere Vorteil, daß parasitäre Effekte durch Kopplung der Speicherelemente 1 in der Widerstandsmatrix des Speicherzellenfeldes weitgehend ausgeschlossen werden. Ströme über Nebenschlußwiderstände werden durch die hohen Widerstände der TMR-Elemente stark reduziert. The invention has the further advantage that parasitic effects by coupling the memory elements 1 in the resistance matrix of the memory cell array are largely excluded. Currents through shunt resistors are greatly reduced by the high resistances of the TMR elements.
Zusammenfassend gilt für die vorliegende Erfindung:
In dem Speicherzellenfeld eines Halbleiterspeichers 2 sind
die Speicherelemente beziehungsweise Speicherzellen 1 mit
magnetoresistivem Effekt durch eine hartmagnetische
Speicherschicht 10 und eine weichmagnetische Sensorschicht 11
charakterisiert, deren leichte Magnetisierungsachsen 30, 31 sich
schneiden. Die Magnetisierungsachse 30 der hartmagnetischen
Schicht 10 liegt parallel zu der an ihr angeschlossenen
Leitung, etwa der Bitleitung 9, und die Magnetisierungsachse 31
der weichmagnetischen Schicht liegt parallel zu der an ihr
angeschlossenen Leitung, etwa der Wortleitung 8. Vorzugsweise
stehen die Achsen mit den jeweils parallelen Leitungen im
wesentlichen senkrecht aufeinander.
In summary, the following applies to the present invention:
In the memory cell array of a semiconductor memory 2 , the memory elements or memory cells 1 with a magnetoresistive effect are characterized by a hard magnetic memory layer 10 and a soft magnetic sensor layer 11 , the easy magnetization axes 30 , 31 of which intersect. The magnetization axis 30 of the hard magnetic layer 10 is parallel to the line connected to it, for example the bit line 9 , and the magnetization axis 31 of the soft magnetic layer is parallel to the line connected to it, for example the word line 8 . The axes with the respective parallel lines are preferably essentially perpendicular to one another.
Über eine Wechselspannungs- 51 beziehungsweise
Wechselstromquelle 50 wird ein Spannungs- bzw. Stromsignal auf eine
jeweils selektierte Leitung, etwa die Wortleitung 8 geprägt.
Die Magnetisierungsrichtung 21 der weichmagnetischen Schicht
11 wird dadurch sinusförmig aus der leichten
Magnetisierungsachse 31 ausgelenkt. Neben dem eingeprägten Signal ändert
sich dadurch auch der magnetoresistive Widerstand der
Speicherzelle. Je nach Magnetisierungsrichtung 20 der
hartmagnetischen Schicht 10 entsteht eine gleich- oder gegenphasige
Überlagerung von Signal und Widerstand, so daß als
Komponenten aus dem Signal z. B. eine vorzeichenbehaftete
Gleichspannung sowie eine erste Oberwelle detektiert werden können. Das
Vorzeichen liefert die Speicherinformation.
Bezugszeichenliste
1 Speicherzelle, Speicherelement
2 Halbleiterspeicher
8 Wortleitung
9 Bitleitung
10 hartmagnetische Schicht
11 weichmagnetische Schicht
12 Isolatorschicht, Tunneloxid
20 Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht
21 Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht
30 Magnetisierungsachse der hartmagnetischen. Schicht
31 Magnetisierungsachse der weichmagnetischen Schicht
50 Wechselstromquelle
51 Wechselspannungsquelle
60 Spannungsmeßeinrichtung
61 Strommeßeinrichtung
A voltage or current signal is embossed onto an respectively selected line, for example the word line 8 , via an alternating voltage source 51 or alternating current source 50 . The magnetization direction 21 of the soft magnetic layer 11 is thereby deflected sinusoidally out of the easy magnetization axis 31 . In addition to the impressed signal, this also changes the magnetoresistive resistance of the memory cell. Depending on the direction of magnetization 20 of the hard magnetic layer 10 , an in-phase or opposite-phase superimposition of signal and resistance arises, so that z. B. a signed DC voltage and a first harmonic can be detected. The sign provides the storage information. Reference symbol list 1 memory cell, memory element
2 semiconductor memories
8 word line
9 bit line
10 hard magnetic layer
11 soft magnetic layer
12 insulator layer, tunnel oxide
20 Magnetization direction of the hard magnetic layer
21 Direction of magnetization of the soft magnetic layer
30 magnetization axis of the hard magnetic. layer
31 magnetization axis of the soft magnetic layer
50 AC power source
51 AC voltage source
60 voltage measuring device
61 current measuring device
Claims (23)
die erste magnetische Schicht (10) aus hartem ferromagnetischem Material gebildet ist, und
die zweite magnetische Schicht (11) aus weichem ferromagnetischem Material gebildet ist, und
die erste (30) und zweite Magnetisierungsachse (31) sich schneiden, wenn sie in eine durch die Wort- (8) und die Bitleitung (9) aufgespannte Ebene projiziert werden. 1. semiconductor memory ( 2 ) with crossing word ( 8 ) and bit lines ( 9 ), on which magnetoresistive memory cells ( 1 ) are arranged, each comprising: at least one first magnetic layer ( 10 ) with a first magnetization axis ( 30 ), an insulating layer ( 12 ) arranged between them, a second magnetic layer ( 11 ) with a second magnetization axis ( 31 ), characterized in that
the first magnetic layer ( 10 ) is formed from hard ferromagnetic material, and
the second magnetic layer ( 11 ) is formed from soft ferromagnetic material, and
the first ( 30 ) and second magnetization axes ( 31 ) intersect when they are projected into a plane spanned by the word ( 8 ) and the bit line ( 9 ).
eine Wechselstromquelle (50), welche über eine Wortleitung (8) mit der Speicherzelle (1) verbunden ist,
eine Spannungsmeßeinrichtung (60), welche für eine Messung der Spannung mit der Wortleitung (8) und über eine Bitleitung (9) mit der Speicherzelle (1) verbunden ist, wobei die Speicherzelle (1) mit einem magnetoresistivem Widerstand zwischen die Wort- (8) und die Bitleitung (9) geschaltet ist. 6. The semiconductor memory ( 2 ) according to any one of claims 1-5, characterized by a circuit arrangement for evaluating the information content of at least one of the magnetoresistive memory cells ( 1 ), comprising
an AC power source ( 50 ) which is connected to the memory cell ( 1 ) via a word line ( 8 ),
a voltage measuring device ( 60 ) which is connected to the word line ( 8 ) and via a bit line ( 9 ) to the memory cell ( 1 ) for measuring the voltage, the memory cell ( 1 ) having a magnetoresistive resistance between the word ( 8 ) and the bit line ( 9 ) is switched.
die an der Wechselstromquelle (50) angeschlossene Wortleitung (8) mit einem Grundpotential über einen zusätzlichen Widerstand verbunden ist, und
der Widerstand der magnetoresistiven Speicherzelle wenigstens die Größe des zusätzlichen Widerstandes besitzt. 7. Semiconductor memory ( 2 ) according to claim 6, characterized in that
the word line ( 8 ) connected to the AC power source ( 50 ) is connected to a basic potential via an additional resistor, and
the resistance of the magnetoresistive memory cell has at least the size of the additional resistance.
die Wortleitung (8) einen Leiterbahnwiderstand besitzt,
der Wert des zusätzlichen Widerstandes wenigstens den Wert des Leiterbahnwiderstandes besitzt. 8. Semiconductor memory ( 2 ) according to claim 7, characterized in that
the word line ( 8 ) has a conductor resistance,
the value of the additional resistance has at least the value of the conductor resistance.
eine Wechselspannungsquelle (51), welche über eine Wortleitung (8) mit der Speicherzelle (1) verbunden ist,
eine Strommeßeinrichtung (61), welche für eine Messung des Stromflusses zwischen die Bitleitung (9) und einem Grundpotential geschaltet ist, wobei die eine Speicherzelle (1) mit einem magnetoresistivem Widerstand zwischen die Wort- (8) und die Bitleitung (9) geschaltet ist. 12. The semiconductor memory ( 2 ) according to any one of claims 1-5, characterized by a circuit arrangement for evaluating the information content of at least one of the magnetoresistive memory cells ( 1 ), comprising
an AC voltage source ( 51 ) which is connected to the memory cell ( 1 ) via a word line ( 8 ),
a current measuring device ( 61 ) which is connected for measuring the current flow between the bit line ( 9 ) and a basic potential, the one memory cell ( 1 ) having a magnetoresistive resistor being connected between the word ( 8 ) and the bit line ( 9 ) ,
die an der Wechselspannungsquelle (51) angeschlossene Wortleitung (8) mit einem Grundpotential über einen zusätzlichen Widerstand verbunden ist, und
der magnetoresistive Widerstand der Speicherzelle wenigstens die Größe des zusätzlichen Widerstandes besitzt. 13. Semiconductor memory ( 2 ) according to claim 12, characterized in that
the word line ( 8 ) connected to the AC voltage source ( 51 ) is connected to a basic potential via an additional resistor, and
the magnetoresistive resistance of the memory cell has at least the size of the additional resistance.
die Wortleitung (8) einen Leiterbahnwiderstand besitzt,
der zusätzliche Widerstand wenigstens den Wert des Leiterbahnwiderstandes besitzt. 14. Semiconductor memory ( 2 ) according to claim 13, characterized in that
the word line ( 8 ) has a conductor resistance,
the additional resistance has at least the value of the conductor resistance.
das in der Strom- (61) oder Spannungsmeßeinrichtung (60) aus der Messung abgeleitete Signal den Gleichstrom- oder Gleichspannungsanteil des gemessenen Wechselstrom- oder Wechselspannungsverlaufes beinhaltet,
die Bewertung in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Gleichstrom- oder Gleichspannungsanteiles durchgeführt wird. 19. The method according to claim 18, characterized in that
the signal derived from the measurement in the current ( 61 ) or voltage measuring device ( 60 ) contains the direct current or direct voltage component of the measured alternating current or alternating voltage curve,
the evaluation is carried out depending on the sign of the direct current or direct voltage component.
das in der Strom- (61) oder Spannungsmeßeinrichtung (60) aus der Messung abgeleitete Signal die erste Oberwelle des Wechselstrom- oder Wechselspannungsverlaufes mit dem Zweifachen der eingespeisten Wechselstrom- oder Wechselspannungsfrequenz beinhaltet,
die Bewertung in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Oberwelle bei vorgegebener Phase durchgeführt wird. 20. The method according to claim 18 or 19, characterized in that
the signal derived from the measurement in the current ( 61 ) or voltage measuring device ( 60 ) contains the first harmonic of the alternating current or alternating voltage curve with twice the fed alternating current or alternating voltage frequency,
the evaluation is carried out depending on the sign of the harmonic at a given phase.
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